Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 3 )

Рис. 15. Вариант организации выводов COM и SEG

Энергопотребление

ЖКИ обычно потребляют от 5 до 25мкА (10см2) при напряжении 5В. Основное энергопотребление требует подсветка индикатора.

Типы ЖК дисплеев

TN дисплеи – первая технология, сейчас мало применяется. Достоинства – дешевизна. Недостатки – низкая контрастность (чёрный больше похож на серый), мёртвые пиксели очень яркие IPS дисплеи – характеризуются наибольшим углом обзора (до 180 градусов). Мёртвые пиксели – чёрные. MVA дисплеи – намного лучшая цветопередача, наименьшее время релаксации, высокая контрастность. Недостатки – высокая стоимость. PVA дисплеи – имеют вертикальное расположение кристаллов. TFT дисплеи – содержат активную матрицу, в которой каждый пиксель управляется своим транзистором.

Различают 3 различных структуры триад дисплеев:

вертикальная полоса мозаичная структура дельта-структура

Рис 16.

Приборы с зарядовой связью

Устройство. Принцип действия

ПЗС используются в запоминающих устройствах, в линиях задержки, в фильтрах, в приёмниках изображений (матрицах ПЗС).

Основными элементами ПЗС являются однотипные МОП конденсаторы, сформированные на общей монокристаллической подложке (Si p-типа) – 1. Расположенные на слое диэлектрика – 2, однотипные зазоры – 3, образуют регулярную линейную структуру.

Для большинства приборов диэлектриком служит SiO2, а затворы выполнены из Al либо поликремния. Затворы с помощью плёночных проводников присоединяют к управляющим шинам, на которых относительно заземлённого электрода подаются импульсные напряжения.

3х-тактная ПЗС

В рассматриваемом приборе (рис. 17) три управляющие шины (F1, F2, F3).

При подаче напряжения высокого уровня, например на шину F1, в приповерхностных областях полупроводниковой подложке под затворами, соединёнными с этой шиной (1, 4, 7) возникают потенциальные ямы для электронов. Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затвором и на перемещении зарядовых пакетов между соседними элементами при изменении управляющих напряжений. Взаимодействие соседних элементов называют зарядовой связью. Для того, чтобы между соседними элементами обеспечивалась зарядовая связь, необходимо, чтобы расстояние между затворами было достаточно мало по сравнению с толщиной зарядового пакета. Благодаря непосредственной зарядовой связи между соседними элементами, в ПЗС не нужны сигнальные проводники, необходимые в интегральных микросхемах, содержащих транзисторы, т. е. на поверхности кристалла находятся только управляющие шины, а сигнальные проводники используются лишь на входах и выходах ПЗС. Для работы ПЗС существенна зависимость поверхностного потенциала от величины зарядового пакета.

Рис 17. Перенос зарядов в трёхфазном ПЗС

В гидродинамической модели величина потенциальной ямы пропорциональна глубине сосуда. Величина зарядового пакета соответствует жидкости, находящейся в этом сосуде. Рассмотрим процесс переноса зарядового пакета в схеме с 3х-тактным управлением. Пусть в момент времени t1 на шину Ф2 подано высокое напряжение, соответственно под 2 и 5 затвором накоплены зарядовые пакеты.

В момент времени t2 подаётся напряжение на шину Ф3 и под затворами 3 и 6 также возникает потенциальная яма. Жидкость начинает перетекать из правого сосуда в левый, пока не уравняется.

В момент времени t3 напряжение на шине Ф2 начинает медленно падать, что соответствует повышению уровня дна правого сосуда.

В момент времени t4 весь зарядовый пакет оказывается под затворами шины Ф3.

Таким образом в 3х-тактных ПЗС осуществляется направленный перенос зарядовых пакетов.

Перенос зарядовых пакетов становится возможным благодаря краевому эффекту. Этот краевой эффект состоит в том, что размеры потенциальной ямы превышают размеры затвора, т. е. потенциальная яма образуется не только под затвором, но и на некотором расстоянии от края затвора. При этом превышение размера потенциальной ямы над площадью затвора пропорционально приложенному напряжению. Только при достаточно больших напряжениях на соседних затворах и малых расстояниях между ними потенциальные ямы между соседними затворами перекрываются, образуя единую потенциальную яму.

Устройства ввода и вывода зарядовых пакетов.

Устройства ввода и вывода зарядовых пакетов позволяют преобразовывать входные и выходные сигналы (уровни напряжения) в сигнальные зарядовые пакеты.

Рис. 18. Элемент 3х-фазного ПЗС

Устройство ввода сигнала состоит из области n+ - типа, которая создаёт с подложкой n-p переход. При вводе на вход подаётся сигнал отрицательной полярности, смещающий входной диод в прямом направлении, а на Фвх прикладывается управляющее положительное напряжение. Зарядовый пакет инжектируется вначале из n+ области под входной затвор, а затем переносится в 1-ый затвор. Величина инжектируемого зарядового пакета увеличивается с ростом амплитуды сигнала по экспоненциальному закону. Достоинство данного способа ввода информации – высокое быстродействие. Время инжекции составляет несколько нс.

Для вывода зарядового пакета на выходе используют область n+-типа проводимости, омический контакт этой области и выходной затвор. Область n+ образует с подложкой выходной диод, который смещает в обратном направлении.

Параметры элементов ПЗС

К числу основных параметров ПЗС относятся:

- рабочее напряжение

- максимальная величина зарядового пакета

- предельная (min/max) тактовые частоты

- эффективность переноса зарядового пакета

- рассеиваемая мощность

Рабочая амплитуда управляющего напряжения определяется 2-мя основными условиями:

- она должна быть достаточно большой для обеспечения величины зарядового пакета

- для обеспечения полного смыкания потенциальных ям между соседними затворами.

Чем меньше расстояние между затворами и больше ёмкость диэлектрика, тем ниже требуемая амплитуда управляющих напряжений. Значение напряжения порядка 10В.

Максимальная величина зарядового пакета. Пропорциональна напряжению и площади затвора. Порядок величины пакета – 106 e - (доли пКл)

Минимальная тактовая частота. Обратно пропорциональна максимально допустимому времени хранения зарядового пакета. Время хранения зарядового пакета в одном элементе ограничено, т. к. величина зарядового пакета изменяется вследствие накопления электронов в потенциальных ямах под затвором. Кроме того, электроны появляются в результате тепловой генерации носителей заряда, а также за счёт диффузии подложки. Для увеличения допустимого времени хранения зарядового пакета снижают концентрацию объёмных центров рекомбинации, а также снижают температуру.

Максимальная тактовая частота. Обратно пропорциональна минимальному времени переноса. При работе с максимальной частотой перенос зарядового пакета в следующий элемент начинается непосредственно после окончания его переноса в данный элемент. Минимально допустимое время переноса связано с эффективностью переноса зарядового пакета.

Эффективность переноса.

Отношение величины зарядового пакета в следующем пакете к предыдущему.

Вследствие потери части зарядового пакета, з<1. Эффективность переноса определяет максимальное число элементов, через которые может быть передан зарядовый пакет. При анализе процессов переноса часто используют коэффициент потерь n=1-з. Типичное значение для сложных ПЗС матриц: з=0,999..0,99999, n=10-3..10-5.

Потери зарядового пакета при переносе на высоких тактовых частотах вызваны тем, что за малое время, отводимое на перенос, часть электронов не успевает переместиться в соседний элемент и остаётся в предыдущем. Потери резко увеличиваются с ростом тактовой частоты. На более низких тактовых частотах эффективность переноса достигает максимального значения, которое практически не зависит от тактовой частоты.

Рассеиваемая мощность. Рассеиваемая мощность элементов ПЗС очень мала. В стадии хранения фактически 0, мощность рассеивается только в режиме переноса. Мощность увеличивается пропорционально тактовой частоте, амплитуде напряжения, а также величине зарядового пакета.

Разновидности конструкций ПЗС.

Достоинства 3х-тактной системы:

- наиболее простая структура элементов

Недостатки:

- необходимость использования управляющих импульсов сложной трапецеидальной формы.

- длительность импульсов должна быть достаточно большой.

4х-тактная ПЗС.

Могут работать с управляющими импульсами, имеющими практически прямоугольную форму.

В них также используются простейшие МОП структуры, и так же, как и в 3х-тактных системах, направление переноса определяется последовательностью тактовых импульсов.

2х-тактная ПЗС

В 2х-тактных ПЗС направленное перемещение зарядовых пакетов обеспечивается за счёт асимметричной структуры элементов. 2х-тактные системы – системы не реверсивные (направление перемещения пакетов не изменяется).

РИС4

2х-тактная ПЗС со ступенчатым диэлектриком

РИС5

2х-тактная ПЗС с дополнительным ионным легированием в части приповерхностной области.

И в том, и в другом случае цель – обеспечить направление перемещения зарядового пакета.

Принцип работы 2х-тактной ПЗС со ступенчатым диэлектриком.

В этой системе под затвором каждого элемента слева расположен более толстый слой SiO2, поэтому при поступлении на затвор напряжения, образуется асимметричная потенциальная яма, конфигурация которой обеспечивает направленное перемещение зарядовых пакетов слева направо. В данной структуре под каждым затвором на участках с более толстым диэлектриком образуется потенциальный барьер для электронов. Этот барьер препятствует зарядовому пакету под более тонким диэлектриком двигаться в обратном направлении.

ПЗС с объёмным каналом переноса.

В предыдущих рассмотренных ПЗС мы имели дело с переносом заряда в тонком слое полупроводника, расположенным в приповерхностном слое, т. е. ПЗС с поверхностным каналом переноса. Для ПЗС с поверхностным каналом переноса наличие поверхностных состояний и низкая подвижность электронов поверхности ограничивают эффективность переноса и максимальную тактовую частоту. Улучшить эти параметры можно, если передавать зарядовые пакеты на некотором удалении от поверхности полупроводника. Это условие реализуется в ПЗС с объёмным каналом переноса.